【科普】電子到底是怎麼繞原子核運動的?理解錯了,不是地球繞太陽那樣

天空之城 2022/08/10 檢舉 我要評論

電子在原子核外到底是怎麼運行的,其實很多人都搞不清。

如今還有很多人誤以為電子繞原子運動的類型與地球繞太陽運動一樣,這就大錯特錯了!

你可能知道波爾的能級躍遷模型,電子云模型,但是電子到底是怎麼運動的,你還是不太清楚。

然后咱們先從波爾的能級躍遷分析。一個電子從一個軌道跳躍到另一個軌道上,跳躍這個過程是不連續的,不存在過渡。

對原子軌道的誤解

這里必須澄清一個概念,很多人會誤以為原子軌道就是電子核外的電子層軌道。

其實,這種1,2,3的「軌道」并不是原子軌道,這是能層,也叫電子層。

能層就是高中化學學的K,L,M,N,O,P電子層,對應的電子層序號依次是1 2 3 4 5 6。

第一層也叫K層,第二層是L層,第三層是M層(依次類推)。每一個電子層(能層)又包含著不同的能級,一個電子層有幾個能級,取決于電子層的序號。

比如第一個電子層(K)只有一個能級。第二個電子層(L)有兩個能級(依次類推)。因為能級是電子層(能層)的下屬,所以能級也叫電子亞層。能級其實就是高中化學學的s,p,d,f 原子軌道。

比如第一個電子層只有一個能級,這個能級就是s軌道。第二個電子層只有兩個能級,這兩個能級分別就是s軌道的和p軌道。第三個電子層有三個能級,這三個能級分別就是s,p,d軌道。剩下的電子層,依次類推就行。

但是一定要注意,第二個電子層有兩個能級,并不是說只有s和p兩個原子軌道。

除了s軌道,其他軌道都自帶拷貝功能(嚴格來說是空間取向)。s軌道是球型,這種軌道不會復制自己,所以是單獨存在的。p軌道的形狀是啞鈴型,這種軌道自帶三倍拷貝功能,d軌道都是三個d軌道一起出現的。d軌道自帶五倍拷貝功能,d軌道都是五個一起出現。

spdf軌道的拷貝倍數按照1,3,5,7等奇數形式計算。其實所謂的spdf軌道只是表示電子云的不同形狀。電子大機率會出現在某一特定空間,恰好這樣的空間會形成某一特定的形狀。比如s軌道像球型,p軌道像啞鈴型,d軌道像花瓣型。

現在已經搞清原子軌道的類型了,接下來就要看電子到底是怎麼占據這些軌道的。

事實上,電子占據原子軌道的過程主要按照泡利不相容原理和洪特規則進行。

泡利不相容原理告訴我們一個原子軌道頂多容納兩個電子。

比如,第一個電子層(K層)只有一個能級,這個能級上只有一個s軌道,所以只能容納兩個電子。

第二個電子層(L層),有s,p兩個能級,所以就有一個s軌道,3個p軌道,一共四個原子軌道,所以頂多容納8個電子。

第三個電子層(M層),有s,p,d三個能級,所以就有一個s軌道,3個p軌道,5個d軌道,一共9個原子軌道,所以頂多容納18個電子。

在自然界中,一切都在追求穩定,如果現在還不穩定,總會達到穩定狀態。

因為穩定的事物變化少,不穩定的事物變化大,變化大的狀態總會折騰到變化小的狀態。

這個道理同樣適用于物理學,穩定的狀態意味著能量低,最穩定的狀態,則能量處于最低狀態。

而洪特規則簡單來說,就是能量最低原理,電子總是先占據能量最低的原子軌道,如果更低能量的原子軌道被占滿了,才會被迫占領更高能量的原子軌道。了解洪特規則后,剩下的就是對比不同原子軌道的能量就行。

這些原子軌道的能量是這樣的

1s就是第一個電子層的s軌道,2s就是第二個電子層的s軌道。2p就是第二個電子層的p軌道(第一個電子層沒有p軌道)

按照橫向對比,1s小于2s小于3s。 2p小于3p小于4p。

按照縱向對比,3s小于3p小于3d。

按照橫縱交錯對比,就牽扯能量交錯原理了。從第四個電子層開始,4s就小于3d了。后面的能量交錯對比,自行查資料就行,我就不展開講了。

泡利不相容原理的深層理解

不知道你有沒有想過,為什麼泡利不相原理認為一個原子軌道只能容納兩個電子呢?首先想象一下,原子核外分布著很多電子,這些電子都一樣嗎?

如果只是直觀感受,好像所有的電子長得都一樣。按照常規方式我們不能鑒定出兩個電子有什麼不同。

但是理性思考一下,又覺得電子之間肯定存在著不同點。

事實上,電子之間的確存在很多不同點

為了區分電子。所以就需要制定一種特殊的方式給這些電子 標身份號碼。

在量子力學中,電子存在幾種不同點,就有幾種量子數。所以量子數可能有很多種。

而對于核外電子,一般只做四種類型的區別,所以就有四種 量子數

如果兩個電子的四種量子數都相同,那麼它們就具有相同的量子態,是不可能處于同一原子軌道上的。這才是泡利不相容原理的嚴謹解釋。

但為什麼泡利不相原理的結論卻是:一個原子軌道頂多容納兩個電子。這又怎麼理解?

要解釋這個問題,我們就需要先了解一下電子的四種量子數,也就是四種區分方式。

第一種區分就是主量子數

比如在第一個電子層的電子和第二個電子層的電子雖然都是核外電子,但是它們所處的電子層不同,所以第一種區別就出來了。這就是主量子數。

第二種區別就是角量子數

比如第二個電子層有4個電子,首先這四個電子的主量子數是相同的,但是它們之間的軌道類型可能不同,比如s軌道或p軌道,所以按照原子軌道劃分,就又多了一種區分電子的方式。

第三個區別就是磁量子數

剛才我已經講了,第二能層的p軌道有三個,三個p軌道如果都有電子,這時候它們的主量子數和磁量子數已經是一樣的了。

如果僅僅只是通過前兩種方式,已經無法區分第二能層的三個p軌道上的三個電子了。

事實上,這三個p軌道并不完全相同,因為不同的p軌道在磁場上的分量是不同的。這就是第三種區別。

現在你想象一下,如果泡利不相容原理只適用于這三種量子數。

那同一能層,同一能級的同一個原子軌道上就只能容納一個電子了。

因為同一個原子軌道一旦存在兩個電子,那麼這兩個電子的三個量子數必然相同,所以就會違背泡利不相容原理。

這個時候,第四種區別就顯得尤為重要。如果沒有第四種區別,一個原子軌道就不可能存在兩個電子,而只能是一個電子。這就是第四種量子數,也叫 自旋量子數

自旋量子數只有兩種,要麼是-1/2,要麼是1/2。兩種自旋可以粗略地認為是上旋或者下旋。

所以同一個軌道內兩個電子的前三種量子數都相同,但是第四種量子數不同,且只能有兩種不同,要麼自旋為上,要麼為下。所以一個原子軌道內必定只能容納兩個電子,且自旋不同。

其實,正是由于第四種量子數只有兩種區別,才導致同一軌道上只能存在兩個電子,這也是泡利不相容原理的核心思想。

其實,四種量子數相同的電子不能處于同一軌道還有更深層的解釋。

由于電子的本質是波函數,且具有反對稱性。

反對稱波函數就是說,量子數完全相同的兩個電子相遇,會相互制約。其中一個電子波向上,另一個就必然向下,并且嚴格對應。

一旦兩列波處在同一軌道內,那相遇后就會完全抵消,從而導致電子的波函數消失,那電子就不存在了。

電子的反對稱波函數也從本質上解釋了泡利不相容原理。

想象一下,如果沒有泡利不相容原理,那麼按照洪特規則,所有的核外電子都會占據到能量最低的基態原子軌道上。所有的電子如果都處于基態,那化學性質就和氦原子一樣穩定。

宇宙中基本上所有原子的狀態都穩如泰山,就不會輕易形成化學鍵,那麼有機物就不會存在,生命自然也就不會存在。

所以從這種角度來看,地球上存在生命又得多感謝一位。

人類不僅要感謝引力,電磁力,暗能量,超新星爆炸拋射的重元素,太陽的能量,地球磁場,木星的守衛,海底溫泉形成的luca,還得感謝大自然創造了泡利不相容原理!

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